DE3914787A1

DE3914787A1 - Induktiv arbeitender positionssensor

Info

Publication number: DE3914787A1
Application number: DE19893914787
Authority: DE
Inventors: Michael Hermann; Lutz Dr Jaehnig; Wolfgang Hirrlinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1990-11-08

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor oder Geber mit elektrischer Signalgabe zur Messung von linear oder rotatorisch verlaufenden Bewegungen.

Solche Geber werden für sehr viele Zwecke benötigt und sind daher in vielfältigster Ausführungsform bekannt. Ebenso werden unterschiedlichste physikalische Prinzipien verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Sensor bereitzustellen, der sich bei guter Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit, insbesondere auch bei erhöhten Temperaturen, dennoch durch preiswerte Herstellkosten auszeichnen soll.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1, 5 und folgende.

Der Erfindung liegt der Gedankengang zugrunde, daß der nutzbare Hub bei linearen variablen Differentialtransformatoren durch die Länge des verschiebbaren Eisenkerns ungünstig limitiert wird. In anderer Formulierung bedeuted dies, daß für einen vorgegebenen Meß-Hub LVDTs eingesetzt werden müssen, deren Baulänge etwa doppelt so groß ist wie der nutzbare Hub. Diese Problematik läßt sich nun erfindungsgemäß dadurch umgehen, daß der Eisenkern unbeweglich angeordnet wird und sich insgesamt über die Länge von Primär- und Sekundärspulen erstreckt.

Das variable Transformationsverhältnis wird erfindungsgemäß durch einen verschiebaren virtuellen Luftspalt 53 bewirkt.

Gegenstand der Erfindung ist es daher insbesondere, diesen virtuellen Luftspalt durch Einwirkung eines konzentrierten, eher kleinräumig wirkenden Magnetfeldes auf das Kernmaterial der Spule zu erzeugen.

Bei Verwendung eines geeigneten Kernmaterials und geeigneten genügend starken Permanent- oder Elektromagneten 51 wird dadurch nämlich lokale Sättigung des Kernmaterials 52 hervorgerufen.

Eine solche Sättigung führt bekanntlich dazu, daß überlagerte magnetische Kleinwechselfelder vergleichbare Bedingungen vorfinden, als wenn praktisch kein ferromagnetisches Material existent wäre. Die gleichen Überlegungen gelten für Teilgebiete mit magnetischer Sättigung. Auch hier werden magnetische Kleinwechselfelder so beeinflußt, als wenn ein solches Teilgebiet praktisch keinen Ferromagnetismus mehr besitzt.

Dieser Effekt läßt sich dazu nutzen, einen Transformator mit variablem Transformationsverhältnis zu konstruieren. (Fig. 6) So können zum Beispiel zwei gegenüberliegende Seiten eines Transformatorjochs mit im wesentlicher ebener, flacher Form mit zwei gleichgroßen Spulen bewickelt werden und eine dazwischenliegende Seite mit einer weiteren Spule. Werden die beiden ersten Spulen als gegenphasig arbeitende Primärspulen geschaltet, so wird in der dritten, als Sekundärspule geschalteten Spule keine Spannung induziert (Fig. 11).

Dieses Verhalten ändert sich jedoch, wenn wie oben beschrieben durch Permanentmagneteinwirkung auf das Kernmaterial in Nähe der Sekundärspule eine künstliche Asymmetrie eingerichtet wird. (Fig. 11).

Unter dieser Voraussetzung wird in der Sekundärspule nämlich die Differenz der Teilspannungen induziert, die sich von den beiden Teilflüssen herleiten, welche durch die Primärspulen erzeugt werden.

Die Phasenlage der Sekundärspannung wird sich demzufolge danach richten, welche Primärspule den größeren Einfluß auf die Ausgangsspannung besitzen wird.

Die konstruktive Ausgestaltung dieses Prinzips kann auf sehr vielfältige Weise geschehen, da der magnetische Fluß nicht notwendigerweise vollständig durch ferromagnetische Materialien geleitet werden muß, sondern auch als Streufluß durch die Luft geführt werden kann. Somit sind ebene Spulenanordnungen gemäß Fig. 5, 9, 10 genauso verwendbar wie solche mit zylindrischen Oberflächen.

Ein Vertauschen von Primär- und Sekundärspulen ändert die Wirkungsweise dieser Sensoren nicht prinzipiell, da nur das transformatorische Übersetzungsverhalten beeinflußt wird.

Neben den genannten Ausführungsformen mit zwei gegenphasig geschalteten Primärspulen sind natürlich auch Ausführungsformen mit nur einer Primärspule verwendbar. In der Regel werden diese Anordnungen jedoch nicht eine vergleichbar gute Linearität des Ausgangssignals besitzen (bezogen auf die Verschiebung des Sättigungsfeldes). Diesem Nachteil kann erfindungsgemäß dadurch abgeholfen werden, daß entweder die Sekundärspule einen Kern erhält, dessen geometrische Struktur längs der Sekundärspule modifiziert ist, d.h. z. B. schmaler oder breiter oder daß die Sekundärspule mit unterschiedlicher Wicklungsdichte über ihre Länge bewickelt wird.

Diese Alternativen, die natürlich auch kombiniert werden können, zeigt Fig. 9.

Wie sich des weiteren gezeigt hat, existiert eine weitere Linearisierungsmöglichkeit, wenn der Eingangswiderstand der Primärspule bzw. der Ausgangwiderstand der Sekundärspule mit Anpaßimpedanzen, d.h. komplexen Widerständen beschaltet wird (Fig. 7).

Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang die Belastung der Sekundärspule mit einer Kapazität, welche nach konstruktiven Gegebenheiten des Sensors und der Betriebsfrequenz der Primärspule spezifiziert wird.

Unter Berücksichtigung solcher Eingangs- und Ausgangs- Zusatzimpedanzen ist es ferner möglich, den Sensor mit seinen variablen Induktivitätsanteilen in eine Oszillator schaltung einzubauen. Es ergibt sich auf diese Weise eine Schwingfrequenz des Oszillators, die abhängig ist vor der Position des in Sättigung gebrachten Kernmaterials (Fig. 8).

Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß auf eine Messung der Sekundärspannung mit analogen, zumeist teuren Mitteln, verzichtet werden kann und stattdessen eine Frequenz- bzw. Impulszeitmessung ausgeführt werden kann. Messungen dieser Art besitzen bekanntlich den Vorteil, daß bei sehr hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit nur geringer meßtechnischer Aufwand erforderlich ist und bei Verwendung eines Mikroprozessorsystems dessen vorhandene Möglichkeiten die Frequenzmessung praktisch ohne Mehrkosten gestatten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Maßnahmen vorgesehen, die den Einfluß von externen magnetischen Gleich- oder Wechselfeldern reduzieren.

Dies kann insbesondere durch äußerlich angebrachte Schirmungen erreicht werden, wobei sowohl hochpermeable als auch hoch magnetisierbare Werkstoffe vorgesehen werden sollten. Je nach Erfordernis kann es sich bei solchen Schirm-Teilen um massive oder auch aus Blech gefertigte Teile handeln (Fig. 10).

Claims

1. Geberanordnung zur Messung von linearen oder rotatorisch verlaufenden Bewegungen, dadurch gekennzeichent, daß Bewegungen der oben genannten Arten über geeignete mechanische Koppelglieder auf einen oder mehrere bewegliche Permanent- oder Elektromagneten bzw. einer Kombination dieser übertragen werden und durch Einwirkung von zugehörigen Magnetfeldern auf Kernmaterialien von zugeordneten elektrischen Spulen eine eindeutige Veränderung induktiver Eigenschaften solcher Spulen erzielt.

2. Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen der oben genannten Arten über geeignete mechanische Koppelglieder auf eine oder mehrere bewegliche Induktivitäten übertragen werden.

3. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen der oben genannten Arten über geeignete mechanische Koppelglieder auf eine oder mehrere bewegliche Transformator-Wicklungen übertragen werden.

4. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen der oben genannten Arten über geeignete mechanische Koppelglieder zum einen auf Permanent- oder Elektromagneten, zum anderen auf Induktivitäten oder Transformator-Wicklungen übertragen werden.

5. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beeinflussende Kernmaterial nach Anspruch 1 durch vorgenannte Magnete lokal teilweise oder zu 100% in magnetische Sättigung gebracht wird.

6. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Induktivitäten oder Transformatorspulen in differentiell wirkender Ausführungsform zur Eliminierung verschiedenartiger Fehlereinflüsse ausgelegt werden.

7. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Induktivitäten oder Transformatorspulen mit zusätzlichen, externen komplexen Abschluß- bzw. Eingangswiderständen versehen werden.

8. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Induktivitäten oder Transformatorspulen mit geeigneten elektronischen Schaltungen als frequenzbestimmende(s) Element(e) eines RLC-Oszillators verwendet werden.

9. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle geometrische Formgebung der Kernmaterialien eine Linearisierung der Geberkennlinie bewirkt wird.

10. Geberanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch äußerlich angebrachte magnetische Schirmmaterialien eine Reduzierung des Einflusses von magnetischen Gleich- oder Wechselfeldern stattfindet.